生活的定格

的国际晶体学年在庆祝2014年,源于一百年前发现几乎完全由晶体的x射线衍射产生原子和分子的结构信息(见内晶莹剔透)。一旦这一原则已经被证明,科学家开始使用x射线研究有机和生物的结构以及无机材料。第一个生物有机物质产生衍射模式的纤维如羊毛和丝绸,,过了一会儿,纤维的DNA。威廉Astbury、从事纤维衍射利兹大学,英国获得了“美丽”DNA衍射模式之前几十年罗莎琳德富兰克林,但发现他们无趣;在任何情况下,他不可能解决了结构螺旋衍射理论还没有出版。

然而,只有一小部分生物大分子结构足够普通被纤维衍射,处理和生物结构的早期调查也阻碍了几乎完全无知的化学组成。第一个蛋白质晶体已报告在1840年,当所谓的“血水晶”的本质——蚯蚓血红蛋白——仍然是完全未知的。虽然这个名字“蛋白质”一词是在19世纪,直到1926年,美国化学家詹姆斯·萨姆纳能够证明酶是蛋白质。他实现这个外界认为通过净化和脲酶,因此,同时,获得第一个酶的晶体。

现代分子生物学技术之前的几十年里几乎是不可能获得足够数量的纯蛋白质结晶实验。唯一的蛋白质,开创性的结构生物学家可以使用那些相对大量的可用,例如,血液和蛋清,消化酶可以从屠宰场。尼尔•艾萨克斯名誉,格拉斯哥大学的化学教授在英国,记得使用我们现在称之为桶化学的产生足够大的蛋白质样品的结晶实验直到1970年代。

认的问题

蛋白质晶体学的最重要的一步几乎是偶然发生的。1934年,约翰•Philpot英文生物化学家在乌普萨拉,瑞典,留下了一个样本的消化酶胃蛋白酶在冰箱他去滑雪。回来时,他发现的蛋白质形成异常大的晶体。他把这些晶体J D伯纳尔(被称为“圣人”),然后在剑桥工作,英国将他们描述为“曾经见过的最为出类拔萃的蛋白质晶体[他]”。另一个关键突破时伯纳尔意识到,精致的水晶变得无序干涸。他发起了单晶在毛细管的母液的x射线摄影机和获得一个明确的模式。“圣人欣喜若狂…想象…多少信息就会解锁,如果只有那些照片可以详细解释,”伯纳尔的传记作者写道,安德鲁·布朗。伯纳尔和他的博士生,多萝西毛茛,这项工作在1936年出版自然篇题为只是“x射线晶体胃蛋白酶的照片”。毛茛继续获得x射线衍射的照片,另一个小蛋白,胰岛素,并获得名声和诺贝尔奖多萝西何杰金氏病。

从蛋白质晶体x射线衍射图样,或者,事实上,从任何其他水晶,由定期间隔的x射线点模式。将这些转化成分子的三维结构要求每个点的振幅和相位信息。振幅测量强度的收益率,但阶段不能直接测量。阶段问题的解决方案是必要的,这个之前可以获得晶体结构:首先这是同形的替换,其中包括比较衍射图案从一个天然水晶与蛋白质绑定到所谓的“重原子”,通常电子的金属离子。这种技术在蛋白质结晶学今天仍在使用。

奥地利马克斯·佩鲁茨氏开始了他的血蛋白的研究血红蛋白在1930年代,作为一个博士生在吗劳伦斯布喇格在剑桥;约翰Kendrew之一,他的第一个博士生,选择相关的蛋白肌红蛋白的结构工作。历时二十年同形替代产生低分辨率肌红蛋白和血红蛋白的结构。佩鲁茨氏和Kendrew得意洋洋,当结构终于解决了变成了失望,因为他们显示没有规律性的刚DNA双螺旋结构,并没有提供直接洞察分子的作用机制。然而,事实证明很重要的一点是:这两种结构包括八个明显的“棒”的比例α螺旋,莱纳斯·鲍林预测一些年前。

1963年,国际晶体学联合会委托保罗埃瓦尔德结晶方法的先驱之一,编辑一个文件集合庆祝50周年纪律。一篇论文致力于重要的生物大分子的结构,但它仍可能功能只有两个:血红蛋白和肌红蛋白。该论文的作者,我们晶体官员拉尔夫Wyckoff称不久,只是乐观地说,“也许我们会有相应的详细知识核糖核酸酶或者其他球状蛋白质晶体的。

在1960年代末和1970年代开始鱼贯而出,结构与晶体技术的改进。何杰金氏病使她“胰岛素项目”和晶体在1936年从剑桥牛津当她搬到那里;她花了30多年来解决结构。再过几年的成就,她写道:“我常说,晚上我开发了第一个x射线照片我把胰岛素在1935年是我一生中最激动人心的时刻。但是周六下午在1969年7月下旬,当我们意识到,胰岛素可说明的电子密度图,那一刻很近。许多年轻的科学家在她的团队没有当她第一个出生的胰岛素晶体。

获得足够的蛋白质纯化和结晶只有所面临的许多困难之一蛋白质晶体学的先驱。至少霍奇金和她的同事们知道胰岛素的氨基酸序列,因为它是第一个由弗雷德·桑格1951年;佩鲁茨氏和Kendrew没有肌红蛋白和血红蛋白的序列。此外,很少有人了解氨基酸本身;近800的列表发表的小分子结构剑桥晶体数据中心1965年(CCDC)包括只有10的20种氨基酸中发现的蛋白质。

数字技术的进步

约翰Helliwell名誉,曼彻斯特大学的化学教授,英国,开始了他的职业生涯在结构生物学在1970年代,记得然后方法“非常偶然的和原始的”。结构生物学家”相当于中国疾控中心,蛋白质数据银行(PDB),成立于1971年;第一个操作版本的数据银行,出版两年后,包括九套原子坐标的蛋白质。每个人在地里干活知道这个列表的心,和可能知道校长科学家个人。

在1970年代使用的方法非常偶然的和原始的

约翰Helliwell

蛋白质晶体学与开发,受益非浅,两场革命改变了20世纪科学在下半年。第一,分子生物学,已经触及了;第二,更重要的是,在计算。直到Fortran在1950年代的发展,科学的程序已经写在难以接近的机器码或汇编语言。晶体结构测定的第一套房的程序写在1960年代和1970年代使用的语言。乔治·谢尔德里克Shelx方案,于1976年首次出版,还广泛用于小分子和蛋白质。

然后,计算机图形学,如果他们存在,只能生成原始,设置模型的分子。佩鲁茨氏、Kendrew何杰金氏病和其他早期蛋白质晶体学家们雇佣艺术家来说明他们的论文。直到1980年代,复杂的分子图形需要强大,因此昂贵的机器。,纽约大学,谢菲尔德大学和英国利兹共享一个埃文斯和萨瑟兰计算机可以做高分辨率分子图形,它是每隔几周在英格兰北部的跟前,“记得艾萨克斯。而硅谷图形机器和便宜阿尔文·琼斯弗罗多”计划将图形带入蛋白质晶体学实验室,然后,在1990年代中期,Rasmol诞生了。这个友好的小程序把交互式图像复杂的分子结构上的桌面台式生物化学家和每个学生。它已经取代了许多次,但生物化学家和程序员仍然承认债务其英国计算机科学家作者,罗杰塞尔。

更多的权力

强大的同步x射线源的引入不影响蛋白质晶体学家们起初,Helliwell记得。“我第一次听说的想法使用同步辐射对蛋白质结晶学从多萝西霍奇金当我还是个学生,但多数研究人员认为脆弱蛋白质晶体不会站这种辐射的强度,”他回忆说。这花了大约五年甚至同意尝试蛋白质晶体在同步加速器束,但是这项技术迅速成为建立和最有影响力的蛋白质结晶学现在在同步加速器。“Helliwell后来开创了仪器和大分子晶体学使用同步加速器辐射的方法位于达斯伯里在英国,和这些发展转移到欧洲同步辐射中心在法国格勒诺布尔。英国目前的同步加速器,钻石在牛津郡的哈维尔,现在有29个活跃beamlines,每提供一个强烈的光束强度和波长的辐射具有不同的特征;五已经优化了大分子晶体学。

之前第一个结构解决,富有远见的科学家期待着当生物分子结构可能医学相关性,尤其是在药物发现。佩鲁茨氏希望立即血红蛋白结构可能导致治疗贫血一无所获,但是其他一些早期的结构是更有帮助。特别是酶二氢叶酸还原酶的结构,在1982年第一次解决,已经被证明是有效的药物发展的癌症和传染病。这种酶辅助因子在核酸代谢,抑制其作用将抑制细胞增殖。

基于结构的药物发现自1980年代以来已经进化和蛋白质晶体学。这是现在被认为是必不可少的工具,但迄今为止最惊人的成功可能发生在早期相当。人类免疫缺陷病毒(HIV)被发现在1985年,艾滋病的成因及其微小的基因组测序几年之后。这是发现含有三个酶,基因逆转录酶,蛋白酶和整合酶,是一个目标已知或潜在的抗病毒药物。蛋白酶吸引了晶体学家们的注意,因为它体积小,简单起见,因为容易理解蛋白酶相似之处:胃蛋白酶。“确定这个酶的结构是一个巨大的成功,因为它显示这是一个二聚体的两个相同的子单元…这对药物设计铺平了道路,”波兰晶体学家说科学家们Jaskolski,数篇论文的合著者之一,几乎同时发表的三组结构。

第一个抗艾滋病药物在诊所,对蛋白酶的目标不是但是对逆转录酶,很难形成较大的酶。科学家们热衷于解决其结构为了发展更有选择性,因此更少的有毒的抑制剂。当时与特别棘手的蛋白质——1990年代,研究人员有时发送样品在航天飞机是否在零重力条件下晶体生长更好。大卫·斯图尔特的集团牛津大学的尝试与艾滋病毒逆转录酶,这可能促使一个可预测的小报头条:“疯狂:科学家想把艾滋病在空间”。他们没有得到晶体,但晶体学家们学到了很多关于晶体生长方法从这些和类似的实验。

当HIV蛋白酶在1989年进入PDB,数据库举行大约350结构和严格的分类系统的发展已经开始显得至关重要。两个层次数据库的蛋白质结构是几乎同时开发:导管伦敦大学学院吟游诗人剑桥大学。导管是珍妮特•桑顿现在的欧洲生物信息学研究所主任Hinxton剑桥附近。导管的相对简单的分类方案允许在PDB晶体学家们发现类似的结构,即使没有一个明显的蛋白质之间的进化关系,并经受住了时间的考验,”Thornton说。

诺贝尔奖的工厂

总共24个42的科学家被授予诺贝尔奖的发现与晶体学取得了这个识别工作相关的生物大分子的结构。尽管美国是获得诺贝尔奖的晶体学家们询问最多的国家,一个机构——英国医学研究委员会分子生物学实验室剑桥(LMB)成立于1962年以佩鲁茨氏为导演,是远远超出其他所有人:七24结构生物学奖得主的基础。清Nagai从日本,加入佩鲁茨氏LMB作为1981年博士后,一直以来,强调实验室的大学氛围的价值。马克斯做了一个巨大的兴趣在他的学生和年轻科学家的工作,和照顾他是多么重视他们的意见,”他回忆说。

最近LMB实验室的科学家获得诺贝尔奖Venki Ramakrishnan2009年,他承认托马斯·施泰茨来自美国和阿达·约纳特从以色列对于阐明核糖体的复杂结构,促进蛋白质合成的分子机器的(见分子生物学诺贝尔工厂)。”花了很多人——不仅仅是三——至少十年来解决第一个核糖体结构,从嗜热细菌,”Ramakrishnan说。“我们现在可以获得结构在不同的点在整个蛋白质合成周期,每个“快照”告诉我们更多关于这台机器是如何工作的。但是我们有至少15年我们前面的更多的工作。

PDB,建立从7结构列表,如今拥有超过100000:拟合这一具有里程碑意义的达成在2014年5月,通过国际晶体学年近一半。进步是继续加速,尤其是在解决结构以前棘手的膜蛋白。这些包括g蛋白耦合受体的目标,也许今天所有处方药市场上一半,,,罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩Kobilka被授予2012年诺贝尔物理学奖(看到了吗一个信号的荣誉)。结晶学的第二个世纪的黎明,学科甚至可能开始留下晶体。

我们称之为“衍射之前破坏”

亨利·查普曼

英国晶体协会2014年4月会议包括结构生物学课程的标语“把限制:更快,更小,更慢,更大的。解决核糖体的结构和其他“大”,复杂的结构通常包括技术,如电子显微镜,x射线晶体学是互补的。通常,原子分辨率x射线结构单元“停靠”到低分辨率整个复杂的电子显微图。细菌性呼吸道复合物和分泌系统的结构屈服于这种方法,但它可能很快成为不必要的电子显微镜——不需要晶体原子分辨率的方法。

在天平的另一端,自由电子激光产生的x射线脉冲强大到足以切割钢材现在可以从晶体太小显示结构在光学显微镜。典型的x射线脉冲从自由电子激光一样强大十亿倍,从一个同步源,但只持续几飞秒。的脉冲非常短,晶体衍射之前受到辐射的“煮”:我们称之为“衍射之前破坏”,“亨利·查普曼说,主任科学中心的自由电子在德国汉堡。我们将使用这种技术来追踪生物分子反应与“快照”在不同的时间点,甚至可能获得从单分子结构:最小的“水晶”。

在70年伯纳尔和毛茛的第一个蛋白衍射模式、结构生物学已经成熟了超出他们的预期。结晶学的第二个世纪无疑会产生更深入的结构定义和维护生活。国际晶体学给年田间的巨人他们应得的认可,但是,艾萨克斯说,蛋白质晶体学家们的欠了大量大量的人来自许多不同的学科”,和大多数一定会仍然未知。

克莱尔桑塞姆是一个基于科学作家在伦敦,英国